基于学科核心素养培养的高中化学课堂教学设计——以“水的电离和溶液的pH”为例

徐 璐

(湖北省宜昌市第一中学,湖北 宜昌 443099)

《普通高中化学课程标准(2017年版)》要求学生能从宏观和微观结合、定性与定量结合上收集证据,能依据证据从不同视角分析问题,并推出合理的结论[1].现以“水的电离和溶液的pH”一课为例,探讨学科核心素养的培养在中学教学中的具体实施.

1 教材分析

“水的电离和溶液的pH”是人教版高中化学选择性必修1第三章第二节第一课时的内容.本课时内容包括:水的电离,溶液的酸碱性与pH.本节内容是对“电解质的电离”学习的进一步深化,也是对“电离平衡”相关知识的巩固,同时为学习“盐类的水解”提供知识储备.

2 课时目标

(1)学会书写水的电离方程式,理解水的离子积含义及适用范围;知道pH的意义及数学表达式,并能进行简单计算;

(2)利用已有知识进行证据推理,理解温度、外加酸碱对水的电离平衡的影响;

(3)通过分组实验培养动手能力和合作学习能力,进一步了解科学探究的一般方法,养成勤于实践,善于合作,勇于创新的科学探究精神;

(4)了解pH在生活生产中的应用,体会化学科学的发展对提高人类生活质量的积极作用,培养科学态度和社会责任.

教学重点:水的离子积常数、影响水的电离平衡的因素、溶液的酸碱性与pH.

教学难点:水的离子积常数适用范围、影响水的电离平衡的因素.

3 教学用品

NaOH溶液(0.01 mol/L、0.1 mol/L)、盐酸(0.1 mol/L)、pH计、滤纸、磁力加热搅拌器、温度传感器、电导率传感器.希沃授课助手、LAB-PORT2数据采集器、Lab-Studio数据分析软件.

4 教法学法

教法:情境激学法、任务驱动法、推理归纳法等;

学法:实验探究法、类比归纳法、合作学习法等.

5 教学过程

环节一:创设情境,矛盾凸现.

【情境引入】展示图1:蔚蓝色的波涛拍打着两岸的岩壁,在水面上扑腾起一簇簇浪花,这一望无际的海洋孕育了美丽富饶的宝岛台湾.图2:长江三峡滋养了一代代华夏儿女,孕育了璀璨的中华文明.以“共抓大保护、不搞大开发”为导向,推动长江经济带发展的战略部署,更是强调了“水”资源不容小觑的意义和价值.水不仅重要,水还有特殊的一面.让我们走上探索之旅,一起学习水的电离和溶液的pH.

【疑激导学】水为何特殊?例如:水作为一种共价化合物在液态时却能导电,为什么?

设计意图:通过介绍长江三峡的江水,使学生从多个角度认识水,了解水的重要性和“共抓大保护,不搞大开发”战略部署的重大意义,培养社会责任感.通过水的特殊性引发思维冲突,激发学习兴趣.

环节二:科学史话,模型认知.

【科学史话】1806年,化学家格罗特斯提出:水分子通过氧原子将质子从一个水分子传递给另一个水分子,如同分子接力赛.2016年,耶鲁大学化学教授马克约翰逊团队对水分子中发生的电子迁移拍摄了光谱快照,证实了格罗特斯理论,认为水发生了电离.

【知识建构】水分子之间相互作用而电离出水合氢离子与氢氧根,可简写为水电离出氢离子和氢氧根.

【任务驱动】请在学案上写出水的电离平衡常数表达式.

【教师讲解】常温下,1 L水中只有1×10-7mol水发生了电离.

【任务驱动】请求出此时水中的c(H+)和c(OH-).

【学生回答】均为1×10-7mol/L.

【教师讲解】可见水的电离程度极其微弱,c(H2O)可视为常数,K电离也是常数,故c(H+)与c(OH-)的乘积为常数,称为水的离子积常数,用Kw表示,它与温度有关.常温Kw为1×10-14.Kw不仅适用于纯水,也适用于稀的电解质水溶液,且Kw表达式中c(H+)与c(OH-)表示的是溶液中总的c(H+)与总的c(OH-).

设计意图:科学史话拓展学生视野,使学生了解科学研究的重大意义.书写水的电离平衡常数表达式,回顾旧知并为引入Kw做铺垫,Kw的引入为后续微观探析中证据推理提供知识储备.

环节三:微观探析,证据推理.

【教师提问】根据影响弱电解质电离平衡的因素思考:水的电离平衡可能受什么因素影响?

【学生回答】1. 温度;2.c(H+) 、c(OH-)

【微观探析一】测定不同温度时蒸馏水的电导率

【教师提问】观察到什么实验现象?得出什么结论?

【学生回答】温度升高,蒸馏水的电导率呈增大趋势.升高温度,水的电离平衡正向移动,水的离子积常数增大.

【教师讲解】请看表格,了解不同温度时水的离子积常数.已知纯水在某温度下的Kw,将Kw开平方即可得此时纯水中的c(H+).这些数值很小,不方便表示,故引入pH,即c(H+)的负对数表示溶液中c(H+)的大小来表示.

【教师讲解】改变c(H+)或c(OH-)会使水的电离平衡如何移动?增大c(H+)或c(OH-)会使水的电离平衡中生成物浓度增大,此时平衡如何移动?

【学生回答】逆向移动.

【问题凸现】加入酸碱的浓度不同对水电离的抑制程度如何?

【微观探析二】测量常温时一定浓度的盐酸或NaOH溶液的pH.

【教师讲解】本实验使用到的实验仪器及用品有:pH计(精确度:0.1),滤纸,小烧杯等.

【实验探究】分组实验:用pH计平行测定三次,计算平均值.

【数据分析】

第一组:c(H+)=c水(H+)=c水(OH-)=1×10-12mol/L,c(OH-)=1×10-2mol/L;

第二组:c(H+)=c水(H+)=c水(OH-)=1×10-13mol/L,c(OH-)=1×10-1mol/L;

第三组:c(H+)=1×10-1mol/L,c(OH-)=1×10-13mol/L=c水(H+)=c水(OH-)=1×10-13mol/L.

【教师提问】对比第一、二组实验数据,思考问题1:向水中加入碱的浓度不同对水电离的抑制程度如何?

【学生回答】碱的浓度越大,对水电离的抑制程度越大;

【教师追问】问题2:向水中加入的酸中c(H+) 或加入的碱中c(OH-)相等时,对水电离的抑制程度如何?

【学生回答】对水电离的抑制程度相等.

设计意图:数字化实验仪器可以将不易观察的实验现象进行数据呈现,可提高学生证据意识.

环节四:迁移应用,归纳演绎.

【任务驱动】结合所学知识完成迁移应用练习题.学生分组汇报练习题答案.

【教师提问】只有酸溶液中才存在H+,碱溶液中才存在OH-,对吗?

【学生回答】不对.任何水溶液中都存在H+和OH-.

【教师追问】溶液的酸碱性由什么决定?

【学生回答】c(H+)和c(OH-)的相对大小.

【教师追问】能否根据pH判断溶液酸碱性?

【学生回答】可以.

【教师讲解】25 ℃时,pH<7溶液显酸性,pH=7溶液显中性,pH>7溶液显碱性.

【教师追问】纯水显中性.为什么此时pH<7?

【学生回答】因为温度不是25 ℃.

【教师追问】用pH判断溶液酸碱性时必须考虑什么外界条件?

【学生回答】温度.

【模型认知】1.溶液的酸碱性由c(H+)和c(OH-)相对大小决定

c(H+)=c(OH-):中性;c(H+)>c(OH-):酸性;c(H+)

2.pH的大小与溶液酸碱性的关系(常温)

pH<7 酸性;pH=7 中性;pH>7 碱性

设计意图:对比归纳总结判断溶液酸碱性的依据,强调“根据pH判断溶液酸碱性必须考虑温度”,培养学生严谨求实的科学态度.

环节五:拓展视野,整合提高.

【教师讲解】pH在日常生活生产中应用也很广泛.阅读教材,回答问题:洗完头发后需要涂抹护发素,为什么?

【学生回答】护发素具有调节头发pH使之达到适宜酸碱度的功能.

【知识建构】组织学生进行知识整理.

【教师总结】本节课通过科学史话认识了水的电离过程;进而通过微观探析探究影响水的电离的因素及不同浓度酸或碱对水电离的抑制程度;通过对比数据掌握判断溶液酸碱性的依据;通过拓展视野了解pH在生活生产中的应用.

【作业设计】完成教材P68第1、2、3、6题

6 结束语

本节课由自然界的水展开,了解水的重要性,引发学生共情,使学生从生活世界走进化学世界.了解pH在日常生活生产中的应用时,以学生熟悉的问题展开,激发学生学习欲望,并在这一过程中体会化学科学的社会价值.

本节课通过科学史话、动画模拟等引导学生从宏观(水能导电)到微观(水能电离),从理论(水的电离平衡移动方向)到实际(溶液酸碱性的变化)视角进行原理揭示,并用框图的形式对这一认识思路显性化,学生按此认识思路就能够进行迁移.